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Historisches zur DNA

Erste Nucleinsäuren

Die Desoxyribonucleinsäure (DNA) ist als Speicher der Erbinformation Bestandteil aller Organismen und deswegen von grundlegender Bedeutung. Sie ist dabei weit mehr als nur ein starres, aus zwei antiparallelen Strängen bestehendes und um sich selbst helical gewundenes Polymer mit den vier Einzel-Nucleotiden. Die DNA muss nämlich eine ganze Reihe unterschiedlicher Funktionen erfüllen können, die alle mit erheblichen Änderungen in der Struktur einhergehen. Dabei ist die flexible Struktur der Monomere genauso wichtig wie das zwischenzeitliche Auftreten, von einzel- aber auch dreifach- oder vierfachsträngigen Strukturen. Leider kennen wir bis heute die DNA-Struktur im Komplex mit Proteinen oder unter veränderten physiologischen Bedingungen nur in wenigen Beispielen. Wir wissen aber, dass dabei die Anwesenheit von Wasser die dominierende Rolle spielt. In diesem Abschnitt soll nun das wechselhafte Gesicht der polymeren DNA erläutert werden, während in die zugrunde liegenden Strukturänderungen der Mononucleotide am Beispiel des universellen Energieüberträgers ATP gezeigt werden.

Die DNA wurde 1869 von F. Miescher entdeckt, als er aus Eiter eine säurefällbare Substanz isolierte. Damit war bereits belegt, dass es sich bei der neuen Substanz um eine schwache, organische Säure handeln musste. Neben Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff fand schon Miescher selbst Phosphor als Bestandteil seiner Säure. R. Feulgen gelang die Anfärbung der DNA durch interkalierende Farbstoffe. Er gab damit den ersten Hinweis auf hydrophobe Bestandteile der DNA. A. Kossel bekam 1910 den Nobelpreis für die Erstbeschreibung der Purin- und Pyrimidin-Basen. Danach gab es lange keine Fortschritte auf diesem Gebiet mehr, bis es A.T. Avery 1944 gelang, die DNA als Speicher der genetischen Information zu charakterisieren. Damit geriet dieses scheinbar langweilige Molekül in den Fokus der Strukturchemiker, die bald darauf versuchten, die DNA zu kristallisieren und mit Hilfe von Pulverdiagrammen zu charakterisieren.

R. Franklin und M. Wilkins (Nobelpreis 1962) gelang es als Ersten, derartige Beugungsmuster zu erhalten, die aber je nach Wassergehalt erhebliche Abweichungen aufwiesen (vgl. Abbildung 1). Zunächst erhielt man ein wenig aussagekräftiges Muster. Erst bei leicht geringerem Wassergehalt ergab sich das typische Beugungsmuster einer Helix, wie sie schon von L. Pauling für Proteine gezeigt wurde (Nobelpreis 1954). Man sprach fortan von einer A- und einer B-DNA.

Abb.1
Vergleich der Pulverdiagramme von A- und B-DNA

Abbildung 1 zeigt die A-Form (links) und B-Form (rechts). Durch den geringeren Wassergehalt der A-DNA ließ sich die typische Helixform nicht erkennen, während bei der B-DNA (rechts) die kreuzförmige Anordnung der Reflexe auch für das ungeschulte Auge den Hinweis auf die helicale Struktur der DNA erlaubt. Beachten Sie neben der unterschiedlichen Anzahl der Reflexe besonders den unterschiedlichen Öffnungswinkel der typischen Helixreflexe. Sie stehen für die unterschiedliche Ganghöhe der Helix (vgl. unser DNA-Tutorial).

Der Pauling-Schüler J.D. Watson erkannte das helicale Muster auf dem später aufgenommen Bild der B-DNA sofort und entwickelte zusammen mit F. Crick 1953 das heute noch gültige Modell der DNA. Zahlreiche spektroskopische Untersuchungen wiesen immer stärker darauf hin, dass es noch andere Formen der DNA geben musste, sobald man noch mehr Wasser aus der Hydrat-Hülle entfernte. Als schließlich die erste hochauflösende Struktur der DNA gelang, war die Überraschung weltweit perfekt. Man fand eine völlig neue Struktur, die weder der A- noch der B-Form auch nur annähernd ähnelte. Auf Grund der Zick-Zack-Form des Phosphat-Zucker-Rückgrats wurde sie Z-DNA genannt. Während für die grundlegende Struktur 1962 der Nobelpreis vergeben wurde, ist die Z-DNA später als weniger bedeutend eingestuft worden. Sie ist aber ein besonders gutes Beispiel für die Flexibilität und ist als Endpunkt der Dehydratisierung für das Strukturverständnis wesentlich.

Definition DNA/DNS
Obwohl die Abkürzung DNA für Desoxyribonucleinsäure internationaler Standard ist, wird im deutschen Sprachraum auch das Akronym DNS verwendet.
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